PCI-E 3.0 vs. PCI-E 4.0: Was bringt PCI-Express 4.0 mit einer RX 5500 XT wirklich?

Navi 14, eingesetzt auf der RX 5500 XT, ist auf Kompaktheit getrimmt. Dies beinhaltet den Verzicht auf eine volle PCI-Express-Anbindung, welche gemäß dem modernen PCI-E-Standard 4.0 arbeitet, allerdings nur mit 8 von 16 möglichen Lanes. Laut AMD sei dies für eine GPU dieser Leistungsklasse ausreichend, führt jedoch auf einem Nicht-Ryzen-3000-Unterbau effektiv zu PCI-E 3.0 ×8 mit einer gemessenen Transferrate von gut 6,5 statt rund 12,5 GiByte pro Sekunde. Dem Grafikspeicher steht somit im Worst Case nur die halbe Geschwindigkeit bei der Übertragung der Daten zur Verfügung. Der General-Purpose-Benchmark des Systeminformations-Tools AIDA64 liefert alle relevanten Leistungsdaten. Die oberen beiden Speichertests, Read & Write, offenbaren den PCI-Express-Durchsatz, während Memory Copy die effektive Transferrate des Grafikspeichers abbildet:

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RX 5500 XT mit PCI-E 3.0 RX 5500 XT mit PCI-E 4.0

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Quelle: PC Games Hardware Bitte das Bild anklicken zum vergrößern. Die Anbindung lässt sich an den Leiterbahnen und vergoldeten Kontaktstellen zum PCI-E-Slot erkennen. Es handelt sich hierbei um die Sapphire RX 5500 XT Pulse mit 4 GiByte Speicher. Die Geschwindigkeiten der Transferraten beim Kopieren der Daten im Grafikspeicher sind beim Vergleich von PCI-E 3.0 und 4.0 identisch. Das Lesen und Schreiben der Daten hingegen gelingt PCI-E 4.0 in der Hälfte der Zeit. Doch wann greift eine Limitierung in Spielen und wie äußert sich diese? Und wie hoch ist der Einfluss auf die Performance? Wir haben uns die Auswirkungen auf die Bildrate und die Frametimes mithilfe einer Sapphire RX 5500 XT Pulse OC 4G und Gigabyte Radeon RX 5500 XT Gaming OC 8G angesehen und sind zu interessanten Ergebnissen gekommen. Wir haben die Vier- und Acht-GiByte-Karten jeweils einmal mit PCI-E 3.0 und einmal mit PCI-E 4.0 getestet, was sich bequem im BIOS umschalten lässt. Als Mainboard dient uns dabei ein Asus X570-Plus TUF Gaming. Dazu gesellen sich 16 GiByte DDR4-3200 Arbeitsspeicher und als Prozessor kommt ein AMD Ryzen 5 3600 zum Einsatz. Die Mittelklasse-CPU ist ausreichend, um die kleine RX 5500 XT vollständig auszulasten.

Benchmark-Methodik für Grafikkarten

Aufheizen vor dem Messen

Aufgrund wiederkehrender Leserfragen möchten wir erneut auf die Testmethodik bei Spiele-Benchmarks eingehen. Diese gilt immer, auch wenn wir diesen Textabschnitt nicht erneut publizieren. Ausnahmslos jedem PCGH-Grafikkarten-Benchmark vorgeschaltet ist eine Aufwärmphase: Jede Grafikkarte wird vor der ersten Messung fünf Minuten in dem zu messenden Spiel unter Last gesetzt, damit sich praxisnahe Temperaturen einstellen. Mit diesen ergeben sich automatisch praxisnahe GPU-Boost Frequenzen; jede moderne Grafikkarte startet Spiele mit einem höheren Takt als unter dauerhafter Last. Eine solche erzeugt jeder Spieler am heimischen PC, während "Aus dem Regal und losgemessen" unrealistisch wäre.

Über Referenzkarten

Bei der Wahl der spezifischen Grafikkarten setzen wir nach wie vor auf den Kompromiss "Referenzdesign", es kommen nach Möglichkeit keine Modelle der AMD- und Nvidia-Board-Partner zum Einsatz. Das wirkt auf den ersten Blick praxisfern, da die meisten Spieler und PCGH-Leser auf Custom-Designs (mit werkseitiger Übertaktung) setzen, hat jedoch gute Gründe. Der erste, so banal er klingen mag, ist, dass wir irgendwo eine Basislinie einzeichnen müssen. Wo, wenn nicht bei der Herstellervorlage, liegt diese? Bei einer "typischen" Herstellerkarte? Welche ist typisch, warum ist sie das und bleibt sie das auch nach Veröffentlichung weiterer Designs?

Die Wahl ist in jedem Fall anfechtbar. Das ist zwar auch unsere Entscheidung, für die Referenzkarten respektive Founders Editions spricht jedoch der zweite, wichtigere Grund: Sie sind zum Start verfügbar. Ein aktuelles Beispiel: AMD veröffentlicht die RX-5700-Grafikkarten und wir testen sie nicht, weil sie ausschließlich im Referenzdesign verkauft werden; Modelle mit Custom-Kühlung erscheinen später. Das ist für keinen Beteiligten ein gangbarer Weg. Wir bleiben daher bei den Referenzdesigns, planen jedoch stets mit ergänzenden Tests, wie beispielsweise diesem.

Taktraten in den Benchmarks

Aus dem Vorwärmen und der Wahl der Grafikkarten ergeben sich praxisnahe, wenngleich relativ niedrige GPU-Boost-Frequenzen. Custom-Designs der Hersteller erreichen in der Regel mithilfe werkseitiger Übertaktung und besserer Kühlung dauerhaft höhere Frequenzen. Welche Taktraten bei den Tests anliegen, geben wir in den Benchmarks an. Beachten Sie bitte, dass es sich aus technischen Gründen um einen globalen Mittelwert über alle Benchmarks handelt. Je nach Spiel und Auflösung kommt es zu Boost-Abweichungen um rund 100 MHz in beide Richtungen. Die angegebene Taktrate ist somit nur ein Richtwert.

Quelle: PC Games Hardware Sapphire, Asus und Gigabyte haben bereits Custom-Designs der RX 5500 XT vorgestellt. Erstere verfügt über 4 GiByte, die anderen beiden über 8 GiByte Speicher. Für die vorliegenden Messungen haben wir das Sapphire- sowie Gigabyte-Modell verwendet.

PCI-E 3.0 vs. PCI-E 4.0: Durchweg Vorteile durch PCI-Express 4.0

Bereits in der Ausgabe 09/19 haben wir uns mit PCI-E 4.0 beschäftigt und geprüft, welche Vorteile eine RX 5700 XT daraus zieht. Da Letztere mit vollen 16 Lanes angebunden ist, fallen die Unterschiede relativ gering aus. Die RX 5700 XT hat mit PCI-E 3.0 dabei die gleichen Transferraten wie die RX 5500 XT mit PCI-E 4.0 (da nur mit 8× angebunden). Erstere kann daher auch auf älteren bzw. aktuellen Intel-Systemen ihre volle Leistung entfalten, Spezialfälle wie Wolfenstein 2 einmal ausgenommen. Navi 14 hingegen zeigt mit PCI-E-3.0-Anbindung selbst bei ausreichender Speichermenge ein Defizit bei den Frameraten auf. Herrscht Knappheit beim Grafik-Speicher, ist das System gezwungen die Daten in den Hauptspeicher auszulagern, was für unschöne Ruckler und eine fühl- und messbar schlechtere Performance sorgt. AMDs Mittelklasse-Karte ist "dank" dieser langsamen Anbindung ein perfekter Kandidat für diesen Test und darf nun zeigen, was in ihr steckt.

PCI-E 3.0 vs. PCI-E 4.0: PCI-Express 4.0 ist deutlich schneller

Für die Leistungsmessungen kam der aktuelle Treiber von AMD zum Einsatz: Adrenalin 2020 Edition 19.12.2, welcher seit dem 12.12.2019 auch die neue RX 5500 XT unterstützt. Die Benchmarks könnten deutlicher nicht sein. Die 4-GiByte-Variante nimmt bei jedem Test den letzten Platz ein, wenn sie mit der weiter handelsüblichen PCI-Express-3.0-Schnittstelle angebunden wird. Stellt man der Karte hingegen einen Ryzen-3000-Unterbau zur Verfügung, steigen die Bildraten um mindestens zehn, und im Falle von Far Cry New Dawn gar um 78 Prozent. Es darf betont werden, dass es sich hier um keine Spezial-Benchmarks handelt, sondern um die ganz normale FullHD-Auflösung mit maximalen Details. Wird die Speichermenge auf acht GiByte verdoppelt, fallen die Leistungseinbußen durch PCI-E 3.0 geringer aus. Dennoch kann die RX 5500 XT 8G um bis zu zehn Prozent durch PCI-E 4.0 zulegen. Die nackten Zahlen sind das eine, die erzielten Frametimes was ganz anderes:

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PCI-E 4.0 vs. PCI-E 3.0: Asassins´s Creed Odyssey PCI-E 4.0 vs. PCI-E 3.0: Battlefield 5 PCI-E 4.0 vs. PCI-E 3.0: Far Cry New Dawn PCI-E 4.0 vs. PCI-E 3.0: Shadow of the Tomb Raider

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Wir haben pro Spiel alle Frametimes in einem Diagramm zusammengefasst, so lassen sich die Unterschiede der einzelnen Stufen der Anbindung sowie die Speicherbestückung sehr gut vergleichen. Die x-Achse stellt die Dauer des Benchmarks dar, in dem Fall jeweils 20 Sekunden. Die y-Achse stellt die Millisekunden dar. Bei Frametimes gilt: Je geringer der Wert nach oben ausschlägt, desto flüssiger erscheint dem Nutzer das Bild. Die perfekte Grafikkarte hätte demnach eine gerade glatte Linie mit null Millisekunden.

Die 4-GiByte-Karte ist durch die Farben Grün und Rot dargestellt und zeigt die größten Ausreißer im kompletten Testfeld. Assassin's Creed Odyssey und Far Cry New Dawn zeigen dabei die Nachteile durch eine zu langsame PCI-Express-Anbindung auf, während Battlefield 5 und Shadow of the Tomb Raider generell schlechter mit 4-GiByte-Karten laufen. Stattet man die RX 5500 XT, dargestellt durch die Farben Lila und Blau, mit 8 statt 4 GiByte Speicher aus, muss der Anwender sich weniger Sorgen um die Anbindung machen. Die Leistung bricht zwar ebenfalls ein, allerdings nicht so stark fühlbar wie beim kleineren Modell.

PCI-E 3.0 vs. PCI-E 4.0: Spezialfall Wolfenstein Youngblood

Wir wären nicht PCGH, wenn wir nicht noch einen draufsetzen würden. Wieder einmal sichert sich Entwickler Machine Games mit Wolfenstein einen Sonderplatz. Die verwendete id Tech 6 Grafikengine in Wolfenstein Youngblood hat nämlich die Eigenart, zu Beginn, sprich beim Laden eines Levels, alle Daten in den Speicher der Grafikkarte zu laden. In erster Linie ist das gut, denn so muss beim Spielen weniger nachgeladen werden, was allgemein für ein flüssigeres Spielerlebnis sorgt. Die Grafikengine ist dabei aber auf schnellen Speicher in möglichst großer Anzahl angewiesen. Und wenn dieser dann auch noch schneller angebunden ist, bringt das zusätzliche Vorteile. Nun senken Sie aber erst einmal ihre Kinnlade, beim Anblick dieser Werte:

Sage und schreibe 323 Prozent trennen die 4-GiByte-Karte mit PCI-E-3.0-Anbindung von der 8-GiByte-Karte mit PCI-E-4.0-Anbindung. Die Unterschiede liegen somit nicht in der API begründet, Red Dead Redemption 2 beispielsweise nutzt ebenso die Vulkan-API, geht aber gänzlich anders mit dem vorhanden Speicher um. Stellt man der 4-GiByte-GPU eine Zen-2-CPU zur Seite, bessern sich die Frameraten bereits um 85 Prozent, was sich spürbar auf die Frametimes auswirkt. Mit 8 GiByte ist man schließlich auf der sicheren Seite, kann mit PCI-Express 4.0 unter FullHD aber immer noch 15 Prozent mehr Performance herausholen. Um die Werte entsprechend zu untermauern, folgt nun noch der Ausschnitt mit den Frametimes und ein Beweisvideo, viel Spaß beim anschauen:
Quelle: PC Games Hardware Frametime-Vergleich (5), Wolfenstein Youngblood Spezial-Benchmark

PCI-E 3.0 vs. PCI-E 4.0: Fazit, PCI-Express 4.0 in Höchstform

Sie schütteln womöglich wild mit dem Kopf Hin und Her, diese Werte hätten wir selbst nicht erwartet. Wolfenstein Youngblood zeigt eindrucksvoll auf, wohin die Reise geht. Man erinnere sich den Launch von PCI-Express 3.0. Damals waren die Unterschiede marginal, ja wenn überhaupt nur messbar. Und sieht man von diesem Spezialfall ab, zeigen auch die anderen Titel im Test eine eindeutige Tendenz: Die Speicherbandbreite kann nur durch noch mehr Speicherbandbreite ersetzt werden. AMD wird damit eine wichtige Rolle zuteil. Wer bestmögliche Performance in Spielen wünscht, investiert Ende 2019 nicht mehr in eine potente Intel-CPU mit veralteter PCI-E-3.0-Plattform, sondern in einen modernen Zen-2-Prozessor inklusive X570-Mainboard. Zum Abschluss allerdings noch der nötige

Disclaimer: Bei der AMD Radeon RX 5500 XT handelt es sich um eine Grafikkarte mit achtfacher Anbindung an den PCI-E-Steckplatz. Die Auswirkungen einer schnelleren Anbindung durch den PCI-E-Slot fallen somit wesentlich stärker ins Gewicht, als bei nahezu jeder anderen Grafikkarte, da letztere in der Regel mit 16 Lanes angebunden sind. Böse Zungen können jetzt behaupten, dass AMD damit PCI-E 4.0 in ein positiveres Licht rücken möchte, doch derlei Interpretationsspielraum überlassen wir gerne Ihnen.

Wir bereiten derweil noch ein Special für die kommende Print vor, in welchem wir uns ebenfalls mit dieser Thematik beschäftigen. Die finale Frage geht nun an Intel: Kommt 2020 ein neuer Sockel mit PCI-E-4.0-Anbindung?

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PCI-E 3.0 vs. PCI-E 4.0: Was bringt PCI-Express 4.0 mit einer RX 5500 XT wirklich? AMD hat mit der Ryzen-3000-Serie im Desktop erstmalig PCI-Express 4.0 eingeführt. Die Bandbreite wurde dabei gegenüber der Version 3.0 erneut verdoppelt. Welche Vorteile sich ergeben, wenn eine Grafikkarte nur mit 8 statt 16 Lanes angebunden ist, haben wir mithilfe einer Radeon RX 5500 XT geprüft.

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